Đồ án Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 1 PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng ba pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sinh hoạt được sản xuất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi hoặc khí hoặc nước. Ngoài ra máy phát điện còn được kéo các động cơ khác như động cơ Điêzel, động cơ xy lanh hơi nước, động cơ chạy bằng nhiên liệu Hyđro…được chế tạo với công suất vừa và nhỏ nhằm dùng cho các tải địa phương, dùng làm máy phát dự phòng. Ngoài ra các động cơ đồng bộ công suất nhỏ( đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu ) cũng được dùng rất rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. I. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÔNG DỤNG I.1 Định nghĩa Những máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay Rôtor n bằng tốc độ quay của từ trường n1 gọi là máy điện đồng bộ, có tốc độ quay Rôtor luôn không đổi khi tải thay đổi. I.2 Công dụng Máy phát điện đồng bộ là nguồn điện rất quan trọng của các lưới điện công nghiệp. Trong đó các động cơ sơ cấp là các tuabin hơi nước hoặc tuabin nước. Công suất đơn chiếc mỗi máy có thể đạt đến 1200MW đối với máy phát tuabin hơi và đến 560MW đối với máy phát tuabin nước. Các lưới điện công suất nhỏ, máy phát điện được kéo bởi động cơ Điêzel hoặc các tuabin khí, chúng có thể làm việc riêng lẻ hoặc hai ba máy làm việc song song với nhau. Các máy phát điện đồng bộ hầu hết được đặt ở các trạm phát điện xoay chiều, chúng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực : trong cuộc sống, công nghiệp, giao thông vận tải, các nguồn điện dự phòng, điện năng trên các phương tiện di động… II. ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO II. 1 Đặc điểm Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi tuabin hơi hoặc tuabin nước, vì vậy chúng được gọi là máy phát tuabin hơi hoặc máy phát tuabin nước. Đối với máy phát điện tuabin hơi, do đặc trưng là tốc độ cao tới vài nghìn vòng/phút nên ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 2 máy phát điện thường có kết cấu Rôtor cực ẩn với đường kính nhỏ để giảm thiểu lực ly tâm. Và ngược lại, đối với máy phát điện tuabin nước, tốc độ thấp nên thường có Rôtor cực lồi, đường kính có thể lên tới 1,5m tùy theo công suất của máy. Máy phát điện ba pha thường gặp nhất là máy phát điện mà dòng điện một chiều được đưa vào cuộn dây kích từ thông qua hệ thống vành trượt. Cực từ của máy phát điện ba pha được kích thích bằng dòng điện một chiều và được đặt ở phần quay, còn dây quấn phần ứng với ba pha được đặt ở phần tĩnh và nối ra tải. Cũng có thể đặt cực từ ở phần tĩnh và dây quấn phần ứng ở phần quay giống trong máy điện một chiều, máy điện đồng bộ công suất nhỏ, vì sự trao đổi vị trí đó không làm thay đổi nguyên lý làm việc cơ bản của máy. Nguyên lý làm việc của máy điện nói chung và máy phát điện đồng bộ nói riêng đều dựa trên định luật cảm ứng điện từ. Nguyên lý làm việc cơ bản như sau : Stator của máy phát điện đồng bộ đồng bộ có dây quấn ba pha được đặt cách nhau một góc 1200 trong không gian, được gọi là phần ứng, cảm ứng ra các sức điện động cung cấp ra tải ( hình 1.1 ). Còn Rôtor của máy phát điện, với cấu tạo dây quấn cực từ ( cực lồi với đối với máy phát có tuabin tốc độ thấp như các máy phát tuabin nước, các máy phát công suất nhỏ và cực ẩn với tuabin có tốc độ cao như máy phát Điêzel, tuabin hơi và khí ) làm nhiệm vụ tạo ra từ trường phần cảm. Khi Rôtor quay với tốc độ n thì từ trường cực từ sẽ quét và cảm ứng lên các dây quấn phần ứng các sức điện động xoay chiều hình sin lần lượt lệch pha nhau 1200 theo chu kỳ thời gian, có trị số hiệu dụng là : EO=4,44.f.Wl.Kdq.Φ0 Trong đó : E0 là sức điện động pha. W1 số vòng dây pha. f tần số của máy phát. Φ0 từ thông cực từ Rôtor Kdq hệ số dây quấn. Với tần số : . 60 p nf = (1.1) Với p là số đôi cực của máy. N A BC Hình 1.1 cấu tạo của Stator. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 3 Khi máy phát điện đồng bộ làm việc khép kín mạch với tải, có dòng điện ba pha chạy trong ba dây quấn lệâch nhau góc 1200 về thời gian sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 : 1 60. fn p = (1.2) So sánh (1.1) và (1.2) ta thấy n = n1 , có nghiã là tốc độ quay của Rôtor bằng tôc độ của từ trường quay. Vì vậy ta có máy phát điện đồng bộ. II.2 Cấu tạo II.2.1 Máy cực ẩn Rôtor được làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối hình trụ, trên đó người ta gia công phay để tạo rãnh đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ. Các máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2 , như vậy tốc độ quay của Rôtor là 3000 vòng/phút. Để hạn chế lực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Rôtor, đường kính D của Rôtor không quá 1,1 đến 1,5mét. Tăng công suất của máy bằng cách tăng chiều dài l của lõi thép. Chiều dài tối đa của Rôtor vào khoảng 6,5mét. Dây quấn kích từ đặt trên cực từ Rôtor được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành các bối dây. Các vòng dây của lớp dây này được cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng. Dây quấn kích từ nằm trong rãnh được cố định và ép chặt bằng các thanh nêm phi từ tính đưa vào miệng rãnh. Phần đầu nối ở ngoài được đai chặt bằng các ống trụ thép phi từ tính nhằm bảo vệ chống lại lực điện động do dòng điện gây ra. Hai đầu của dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện, nối với dòng kích từ một chiều. Dòng điện kích từ một chiều thường được cung cấp bởi một máy phát một chiều, hoặc xoay chiều được chỉnh lưu ( có hoặc không có vành trượt ), nối chung trục với máy phát điện. Stator của máy phát điện đồng bộ ba pha cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây quấn ba pha, ngoài là thân và vỏ máy. Lõi thép Stator được ghép và ép bằng các tấm tôn silic có phủ cách điện. Các đường thông gió làm mát cho máy được chế tạo cố định trong thân máy để đảm bảo độ bền cách điện của dây quấn và máy. II.2.2 Máy cực lồi Các máy phát điện có tốc độ quay thấp thường được chế tạo dạng cực lồi, nên khác với máy cực ẩn, đường kính D của Rôtor có thể lên đến 15met trong khi chiều dài lại nhỏ với tỷ lệ l/D = 0,15 – 0,2. Rôtor của máy phát điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối hình trụ trên mặt có đặt cực từ. Ở các máy lớn, lõi thép đó được ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 4 chế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục của máy mà được đặt trên giá đỡ của Rôtor, giá này được lồng vào trục máy. Hình 1.2 Cực từ của máy phát đồng bộ cực lồi Cực từ đặt trên lõi thép Rôtor được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1,5mm chế tạo đuôi có hình T hoặc bằng các bulông bắt xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Rôtor. Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần tiết diện chữ nhật quấn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây. Cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiăng. Sau khi hoàn thiện gia công, các cuộn dây được lồng vào thân các cực từ. Dây quấn cản của máy phát điện đồng bộ được đặt ở trên các đầu cực có cấu tạo như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt vào rãnh các đầu cực và hai dầu nối với hai vành ngắn mạch. Stator của máy phát điện đồng bộ cực lồi giống của máy phát điện đồng bộ cực ẩn. Để đảm bảo vận hành ổn định, ngoài các yêu cầu chặt chẽ đối với kết cấu về điện các kết cấu về cơ học và hệ thống làm mát cũng được thiết kế chế tạo phù hợp và tương thích với từng loại máy phát điện, đáp ứng được môi trường và chế độ làm việc. Máy phát điện đồng bộ làm mát bằng gió công suất nhỏ, có các khoang thông gió và làm mát được thiết kế chế tạo nằm giữa vỏ máy và lõi thép Stator. Đầu trục của máy được gắn một cánh quạt gió để khi quay không khí được thổi qua các khoang thông gió này. Bên ngoài vỏ máy cũng được chế tạo với các sống gân hoặc cánh toả nhiệt nhằm làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho máy. Phổ biến nhất là các máy phát điện đồng bộ được làm mát bằng nước hoặc bằng khí và được áp dụng cho các máy có công suất từ vài chục kW trở lên. Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 5 Điêzel làm động cơ sơ cấp và được gọi là máy phát điện Điêzel. Máy phát điện Điêzel thường có cấu tạo cực lồi. Đặc điểm khác biệt giữa những máy điện công suất nhỏ và máy điện công suất lớn ngoài kích thước của chúng khác nhau thì chúng còn khác nhau về hiệu suất làm việc, giá thành của máy cũng như giá điện sản xuất ra, thời gian làm việc của nó… Máy phát điện công suất nhỏ có cấu tạo gọn nhẹ, rất thuận lợi để làm máy phát dự phòng khi mất điện lưới, như máy phát điện Điêzel có thể linh động vận chuyển đi nơi khác để phục vụ khi cần thiết. Tuy nhiên máy điện công suất nhỏ giá thành không được rẻ vì trái vơí máy có công suất đơn chiếc càng lớn thì giá thành trên đơn vị công suất càng hạ nên nó chưa đươc sử dụng phổ biến mà nó chỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết như bệnh viện, truyền hình, quân sự và thông tin liên lạc…Ngoài ra nó còn được sử dụng ở một số hộ dân cần điện để phục vụ sản xuất kinh doanh liên tục khi thiếu điện lưới. Hiệu suất làm việc của máy điện công suất nhỏ luôn thấp hơn những máy công suất lớn. III CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ. Để làm thí nghiệm lấy các đặc tính của máy phát điện đồng bộ thì cần phải có sơ đồ nối dây của máy phát điện. Tải của máy phát là tổng trở Z có thể thay đổi. Dòng điện kích thích It của máy điện được lấy từ nguồn điện bên ngoài và được điều chỉnh nhờ vào biến trở rt . Khi vận hành thường máy phát điện cung cấp cho tải đối xứng. Chế độ này phụ thuộc vào hộ tiêu thụ điện năng nối với máy phát điện, công suất cấp cho tải không vượt quá định mức mà bằng định mức hoặc thấp hơn định mức một chút. Mặt khác các đại lượng này thông qua các đaị lượng khác như dòng điện, điện áp, dòng kích từ, hệ số Cosϕ, tần số f, tốc độ quay n. Để phân tích các đặc tính của máy phát điện đồng bộ ta dựa vào ba đại lượng chủ yếu là U, I, it thành lập các đặc tính sau : 1. Đặc tính không tải E = Uo = f(it) khi I = 0 và f = fđm 2. Đặc tính ngắn mạch In = f(it) khi U = 0 ; f = fđm 3. Đặc tính ngoài U = f(It) khi it = const ; cosϕ = const ; f = fđm 4. Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const ; cosϕ = const ; f = fđm 5. Đặc tính tải U = f(it) khi I = const ; cosϕ = const ; f = fđm A MFĐ V W A A A V V W Z Z Z Hình 1-7: Sơ đồ đấu dây xác định đặc tính của máy phát điện đồng bộ. VRt • • • • • ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 6 III.1 Đặc tính không tải E = U0 = f(it) Khi I= 0 và f= fđm Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra cuộn dây Stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không. Trong hệ đơn vị tương đối máy phát điện đồng bộ cực ẩn và máy phát điện đồng bộ cực lồi khác nhau không nhiều, đặc tính không tải được hiển thị bằng đơn vị tương đối giống như trên hình 1.3 Hình 1.3 Đặc tính không tải máy phát điện Trong đơn vị tương đối : * dm EE E = và * tt tdmo ii i = Với itđmo là dòng điện không tải khi U = Uđm III.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch In = f(It) khi U= 0 và f = fđm E∗ it∗ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 7 Hình 1.4 Đồ thị véc tơ và mạch điện thay thế của máy phát điện lúc ngắn mạch Đặc tính ngắn mạch là quan hệ giữa dòng điện tải khi ngắn mạch và dòng điện kích thích khi điện áp bằng không , tần số bằng tần số định mức ( khi dây quấn phần ứng được nối tắt ngay đầu máy). Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn phần ứng( rư = 0 ) thì mạch điện dây quấn phần ứng lúc ngắn mạch là thuần cảm ( ψ = 90o ) như vậy Iq = cosψ = 0 và Id = I.sinψ = 1 Và đồâ thị véc tơ của máy phát điện lúc đó như trên hình 1.4 . Cũng từ biểu thức cân bằng sức điện động : . . . . . . . . .d d q q uU E j I x j I x I r= − − − và các giả thiết như trên ta có Euđ = +j.I.xd và mạch điện thay thế của máy có dạng như trên hình 1.4. Lúc ngắn mạch phản ứng phần ứng là khử từ, mạch từ của máy không bão hoà, vì từ thông khe hở Φδ cần thiết để sinh ra Eδ = E – I.xưd = i.xσư rất nhỏ. Do đó quan hệ I = f(it) là đường thẳng như trên hình 1.5. Tỷ số ngắn mạch K là tỷ số dòng điện ngắn mạch Ino ứng với dòng điện kích thích sinh ra sức điện động E = Uđm khi không tải với dòng điện định mức Iđm, nghĩa là K = no dm I I trong đó Ino = dm d U x E I jx−σI jx−dI jIxd uδχ udχ . E . I Hình 1.5 - Đặc tính ngắn mạch I It I = f(It) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 8 Với xd trị số bão hoà của điện kháng đồng bộ dọc trục ứng với E = Uđm . Thay trị số của Ino vào biểu thức của K ta có : K = * 1 . dm d dm d U x I x = . Thường xd∗ > 1 do đó K < 1 và dòng điện ngắn mạch xác lập Ino < Iđm , vì vậy có thể kết luận rằng dòng điện ngắn mạch xác lập của máy phát điện đồng bộ không lớn. Sở dĩ như vậy là do khử từ rất mạnh của phản ứng phần ứng. ititnito I = f(it) U = f(it) Udm U.I Ino Idm Hình 1.6 Xác định tỷ số ngắn mạch K Tỷ số ngắn mạch : K = mo to dm tn I i I i = Trong đó : Ito là dòng điện kích thích khi không tải lúc Uo = Uđm Itn dòng điện kích thích lúc ngắn mạch khi I = Iđm Tỷ số ngắn mạch K là một tham số quan trọng của máy điện đồng bộ. Máy có K lớn có ưu điểm cho độ thay đổi điện áp ΔU nhỏ và theo biểu thức Id = . d E U cos x θ− Iq = .sin q U x θ nó sẽ sinh ra công suất điện từ lớn khiến cho máy làm việc ổn định khi tải dao động. Nhưng muốn K lớn nghĩa là xd∗ nhỏ, phải tăng khe hở δ và như vậy đòi hỏi phải tăng cường dây quấn kích từ và tương ứng phải tăng kích thước của máy. Kết quả là phải dùng nhiều vật liệu hơn và giá thành của máy cao hơn. III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp ΔUđm của máy phát đồng bộ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 9 Đặc tính ngoài là quan hệ U = f(I) khi It = const ; cosϕ = const và f =fđm. U I U dm 0 Idm cosϕ = 1 Δ Udm cosϕ = 0,8 (®iÖn dung) cosϕ = 0,8 (®iÖn c¶m) Hình 1.7 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ Từ hình vẽ ta thấy dạng đặc tính ngoài phụ thuộc vào tính chất tải. Nếu tải có tính cảm khi I tăng phản ứng khử từ của phần ứng cũng tăng, điện áp giảm và đường biểu diễn đi xuống. Ngược lại nếu tải có tính dung khi I tăng, phản ứng phần ứng là trợ từ, điện áp tăng và đường biểu diễn đi lên. Độ thay đổi điện áp định mức ΔUđm của máy phát điện đồng bộ theo định nghĩa là sự thay đổi điện áp khi tải thay đổi từ định mức với cosϕ = cosϕđm đến không tải, trong điều kiện không thay đổi dòng điện kích thích. Trị số của ΔUđm thường biểu thị theo phần trăm của điện áp định mức, nghĩa là : ΔUđm% = .100dm dm E U U − thông số ΔUđm% = 25% ÷ 30% III.4 Đặc tính điều chỉnh It = f(I) khi U = const ; cosϕ = const và f =fđm. Đặc tính điều chỉnh là quan hệ của dòng điện kích từ với dòng điện không tải để luôn giữ cho điện áp không đổi. Nó cho biết hướng điều chỉnh dòng điện It của máy phát điện đồng bộ để giữ cho điện áp ra U ở đầu máy phát điện không đổi. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 10 Hình 1.8 Đặc tính điều chỉnh của máy phát điện đồng bộ Ta thấy với tải cảm khi I tăng, tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng làm cho điện áp U bị giảm. Để giữ cho điện áp U không đổi phải tăng dòng điện từ hoá it . Ngược lại, ở tải dung khi I tăng, muốn giữ U không đổi phải giảm it . Thông thường cosϕđm = 0,8 ( thuần cảm ), nên từ không tải ( U = Uđm ; I = Iđm ) phải tăng dòng điện từ hoá it khoảng 1,7 ÷ 2,2 lần. III.5 Đặc tính tải U = f(it) khi I = const ; cosϕ = const và f =fđm. Đặc tính tải là quan hệ giữa điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộ với dòng kích từ khi tải là không đổi. Với các trị số khác nhau của I và cosϕ sẽ có các đặc tính tải khác nhau, trong đó có ý nghĩa nhất là đặc tính tải thuần cảm ứng với cosϕ = 0 ( khi ϕ = π/2 ) và I = Iđm . Đặc tính tải thuần cảm có thể suy ra được từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng. Cách thành lập tam giác điện kháng như sau : It I It 0 Idm cosϕ = 0,8(®iÖn dung) cosϕ = 1 cosϕ = 0,8 (®iÖn c¶m) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 11 Hình 1.9 Xác đặc tính tải thuần cảm từ đặc tính không tải và tam giác điện kháng. Từ đặc tính ngắn mạch (đường 2 ) để có trị số In = Iđm dòng điện kích thích itn hoặc sức từ động Ftn cần thiết bằng Ftn = itn = OC. Như đã biết khi máy làm việc ở chế độ ngắn mạch sức từ động của cực từ Ftn = OC gồm hai phần : một phần để khắc phục phản ứng khử từ của phần ứng BC = kưd.Fưd sinh ra Eưd ; phần còn lại OB = OC – BC sẽ sinh ra sức điện động tản từ Fσư = Iđm .xσư = AB ( điểm A nằm trên đoạn thẳng của đặc tính không tải đường 1 ) vì lúc đó mạch từ không bão hoà. Tam giác ABC được hình thành như trên được gọi là tam giác điện kháng. Các cạnh BC và AB của tam giác đều tỷ lệ với dòng điện tải định mức Iđm . Đem tịnh tiến tam giác điện kháng ABC ( hoặc tam giác OAC ) sao cho điểm A tựa trên đặc tính không tải thì đỉnh C sẽ vẽ thành đặc tính tải thuần cảm ( đường 3 ). it U.I I = 0 I = Idm 2 3 1 Eδ A' O' B' C' C Q PO M Idm k−dF−d xδ−Idm E0 Eδ −j.xưd.I − j.xσư.I U O I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 12 Hình 1.10 Đồ thị véc tơ sức điện động của máy phát điện đồng bộ ở tải thuần cảm Để có được đặc tính đó phải điều chỉnh rt và Z ( khi đó phải có cuộn cảm có thể điều chỉnh được ) sao cho I = Iđm . Dạng của đặc tính tải thuần cảm như đường 3 trên hình 1.9 và đồ thị véc tơ tương ứng với chế độ làm việc đó khi bỏ qua trị số rất nhỏ của rư như hình 1.10. III.6 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ Khi làm việc trong máy có các tổn hao đồng, tổn hao sắt, tổn hao kích từ, tổn hao phụ và tổn hao cơ. Tổn hao đồng là công suất mất mát trên dây quấn phần tĩnh với giả thiết là mật độ dòng điện phân bố đều trên tiết diện của dây dẫn. Tổn hao này phụ thuộc vào trị số mật độ dòng điện, trọng lượng đồng và thường được tính ở nhiệt độ 75oC. Tổn hao sắt là công suất mất mát trên mạch từ ( gông và răng ) do từ trường biến đổi hình sin( ứng với tần số f1). Tổn hao này phụ thuộc trị số tần số, trọng lượng lõi thép, chất lượng của tôn silic, trình độ công nghệ chế tạo lõi thép. Tổn hao kích từ là công suất tổn hao trên điện trở của dây quấn kích thích và của các chổi than. Tổn hao phụ bao gồm các phần sau : a. Tổn hao phụ do dòng điện xoáy ở thanh dẫn của các dây quấn Stator và các bộ phận khác của máy dưới tác dụng của từ trường tản do dòng điện phần ứng sinh ra. b. Tổn hao ở bề mặt cực từ hoặc ở bề mặt của lõi thép Rôtor , máy cực ẩn do Stator ( có rãnh và như vậy từ cảm khe hở có sóng điều hoà răng ). c. Tổn hao ở răng của Stator do sự đập mạch ngang và dọc do từ thông chính và do các sóng điều hoà bậc cao với tần số khác f1. Tổn hao cơ bao gồm : 1.Tổn hao công suất cần thiết để đưa không khí hoặc các chất làm lạnh khác vào các bộ phận của máy. 2. Tổn hao công suất do ma sát ở ổ trục và ở bề mặt Rôtor và Stator khi Rôtor quay trong môi chất làm lạnh ( không khí, …) Ở các máy điện đồng bộ công suất và tốc độ quay khác nhau tỷ lệ phân phối các tổn hao nói trên không giống nhau. Trong các máy phát điện đồng bộ bốn cực công suất trung bình, tổn hao đồng trong dây quấn phần tĩnh và dây quấn kích từ chiếm tới khoảng 65% tổng tổn hao. Trong khi tổn hao trong lõi thép Stator ( kể cả tổn hao chính và tổn hao phụ ) chỉ chiếm khoảng 14%. Trong máy phát điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 13 tuabin nước công suất lớn, tốc độ chậm thì tổn hao trong dây quấn phần tĩnh và trong dây quấn kích từ chiến khoảng 35%, còn tổn hao trong lõi thép Stator thì chiếm tới 37%. Đối với máy phát tuabin nước tổn hao phui có thể chiếm tới 11%, đối với máy phát tuabin hơi chủ yếu là tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch vào khoảng 18%. Hiệu suất của các máy điện đồng bộ được xác định theo biểu thức : η = 2 2 P P p+∑ Trong đó P2 – công suất đầu của máy. Σp – tổng tổn hao trong máy. Hiệu suất của các máy phát điện làm lạnh bằng không khí công suất 0,5÷3000kW vào khoảng 92÷95%, công suất 3,5÷100000kW vào khoảng 95 ÷ 97,8%. Nếu làm lạnh bằng Hyđrôgen thì hiệu suất cũng có thể tăng khoảng 0,8%. PHẦN II THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐIỆN TỪ VÀ THIẾT KẾ KẾT CẤU CHƯƠNG I TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU Những kích thước chủ yếu của máy điện đồng bộ là đường kính trong Stator D và chiều dài lõi sắt l. Mục đích của việc chọn kích thước chủ yếu này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với các tiêu chuẩn của nhà nước. Kích thước D, l và tỷ lệ giữa chúng quyết định trọng lượng, giá thành, các đặc tính kinh tế kỹ thuật và độä tin cậy lúc làm việc của máy. Vì vậy giai đoạn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 14 này là giai đoạn rất cơ bản của công việc thiết kế máy điện. Mặt khác kích thước D và l phụ thuộc vào công suất P, tốc độ quay n, tải điện từ A, Bδ của vật liệu tác dụng của máy. Việc chọn A và Bδ ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D và l. Về mặt tiết kiệm nhiên liệu thì nên chọn A và Bδ lớn, nhưng nếu A và Bδ quá lớn thì tổn hao đồng và sắt cũng tăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng máy. Do đó khi chọn A và Bδ cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng. Nếu dùng vật liệâu sắt từ tốt có thể chọn Bδ lớn. Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn. Ngoài ra tỷ số giữa A và Bδ cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của máy phát điện vì A đặc trưng cho mạch điện còn Bδ đặc trưng cho mạch từ. Các thông số ban đầu : Công suất định mức máy phát : Pđm = 12kVA Điện áp định mức : Uđm = 400V Tần số : f = 50Hz Tốc độ định mức : n = 1500vg/ph Hệ số công suất : cosϕ = 0,8 Số pha : m = 3 Tính toán các thông số cơ bản : 1. Điện áp pha của máy phát : 400 230,94 ( ) 3 3 dmUU V= = = 2. Công suất điện từ tính toán P’: ' . 1,08.12 12,96( )E dmP K P kVA= = = Trong đó KE là hệ số thể hiện mối quan hệ giữa sức điện động khe hở và điện áp máy phát. Hệ số KE được tính như sau : * 2 2* 2 2 2 cos (sin ) 0,8 (0,6 0,125) 1,08 E dm dmK E xσϕ ϕδ= = + + = = + + = Với 2 2sin 1 cos 1 0,8 0,6dmϕ ϕ= − = − = Và thường đối với máy phát thì xσ∗ = 0,06 ÷ 0,15 ta chọn xσ∗ = 0,125 3. Dòng điện pha định mức : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 15 12000 17,321 ( ) 3. 3.400 dm dm dm PI A U = = = 4. Số đôi cực : 60. 60.50 2 1500 fp n = = = 5. Đường kính trong của Stator : Theo hình 11.2 [1] với P’ = 12,96 (kVA) và số đôi cực p = 2, đường kính trong Stator bằng : D = 22,3 (cm) 6. Đường kính ngoài lõi sắt Stator : 22,3 32,79 ( ) 0,68n D DD cm K = = = Trong đó KD được xác định theo số đôi cực KD = 0,66 ÷ 0,7 với 2p = 4. Ta chọn KD = 0,68 Theo bảng 11.2 [1] ta chọn đường kính ngoài Dn = 32,7 (cm). Chiều cao tâm trục h = 20 (cm). 7. Bước cực : . .22,3 17,514 ( ) 2 4 D cm p π πτ = = = 8. Sơ bộ chiều dài tính toán của Stator : ' 7 ' 2 7 2 6,1. .10 . . . . . . 6,1.12,96.10 13,54 ( ) 0,66.1,15.0,92.162.0,7.22,3 .1500 s dl Pl k k A B D n cm δ δ δα= = = = Trong đó : P’- công suất tính toán (kVA) kdl - hệ số dây quấn. Với máy có P = 12kVA và 2p = 4 thì hệ số dây quấn nằm trong khoảng 0,91 ÷ 0,92. Do đó chọn kdl = 0,92 αδ - hệ số cung cực từ. Chọn αδ = 0,66 ks - hệ số dạng sóng. Chọn ks = 1,15 αδ.ks - tích số. αδ.ks = 0,75 A - tải đường. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ = 17,514(cm) ta có A = 162 (A/cm) Bδ - tải điện từ. Theo hình 11.4 [1] với bước cực τ = 17,514(cm) ta có Bδ = 0,7 (T) D - đường kính trong Stator (cm) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 16 n - tốc độ dịnh mức (vg/ph) 9. So sánh tính kinh tế : 13,54 0,773 17,514 lδλ τ= =